CN212499856U - 一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，属于内燃机节能减排领域；包括油箱、内燃机、内燃机转速传感器、离合器、车轮、驱动桥、变速箱、电动机、变压器、蓄电池、稳压器、整流器、电子控制单元、废气涡轮转速传感器、废气涡轮、涡轮室、连杆、永磁式圆筒直线发电机和旁通阀；将燃油动力输出线路产生的高温废气通过废气涡轮和永磁式圆筒直线发电机转换为电能；并通过蓄电池充电线路将电能存储至蓄电池中，最后通过蓄电池动力输出线路转化为车轮的动能；本实用新型将内燃机废气能量再次回收利用，用于给蓄电池充电，可以有效降低环境污染，解决高昂充电费用问题。

Description

一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置

技术领域

本实用新型属于内燃机节能减排领域，涉及一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置。

背景技术

面对严峻的环保压力，传统内燃机动力汽车面临巨大挑战。油电混合动力汽车应运而生，既有内燃机动力性好、反应快和工作时间长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处，达到了发动机和电动机的最佳匹配，具有广泛的应用前景

但是油电混合动力汽车依然存在一些问题，如：当内燃机单独工作时，燃油利用率较低,大部分能量被内燃机废气直接带走；当动力来源是大功率电池，行驶里程较长时，需要预先给蓄电池长时间充电，造成时间成本浪费和高昂的充电费用等。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，将内燃机废气能量再次回收利用，用于给蓄电池充电，可以有效降低环境污染，解决高昂充电费用问题。

本实用新型解决技术的方案是：

一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，包括油箱、内燃机、内燃机转速传感器、离合器、车轮、驱动桥、变速箱、电动机、变压器、蓄电池、稳压器、整流器、电子控制单元、废气涡轮转速传感器、废气涡轮、涡轮室、连杆、永磁式圆筒直线发电机和旁通阀；其中，油箱、内燃机、离合器、驱动桥依次连通组成燃油动力输出线路；内燃机通过排气管路与涡轮室连通；旁通阀设置在排气管路上；废气涡轮设置在涡轮室内；永磁式圆筒直线发电机设置在涡轮室的一侧；连杆的一端与废气涡轮侧壁连接；连杆的另一端与永磁式圆筒直线发电机连接；永磁式圆筒直线发电机的发电输出端依次与整流器、稳压器和蓄电池连接组成蓄电池充电线路；蓄电池的输出端依次与变压器、电动机、变速箱、驱动桥连接组成蓄电池动力输出线路；车轮对称设置在驱动桥的两侧，通过控制驱动桥实现对车轮的驱动；废气涡轮转速传感器设置在废气涡轮的侧壁上；废气涡轮转速传感器的输出端与电子控制单元的输入端连接；内燃机转速传感器设置在内燃机的侧壁处，内燃机转速传感器的输出端与电子控制单元的输入端连接；电子控制单元的输出端分别与旁通阀和蓄电池连接。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，所述稳压器采用 JK12050型号；稳压器为长方体结构，尺寸为：长28cm，宽24cm，高15cm；输出电压为0-120V；最大输出功率为600W；工作环境温度-20℃～+50℃。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，所述废气涡轮采用 88635型号；为钛合金高速离心式叶轮；所述涡轮室采用奥氏体耐热球墨铸铁材料铸造。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，所述永磁式圆筒直线发电机采用T38型号，高度为67mm；永磁式圆筒直线发电机中的定子外廓长度为37mm；永磁式圆筒直线发电机中的动子峰值速度为30m/s，峰值推力为 1500N，最大持续推力为300N。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，所述变速箱采用无级变速方式传动，变速箱的传动带和工作直径可调的主、从动轮相配合来传递动力，实现了传动比的连续改变。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，所述涡轮发电装置的工作原理为：

油箱向内燃机内提供燃油；内燃机燃烧产生动力，通过离合器驱动驱动桥运动，实现驱动车轮运动；

当燃油动力输出线路工作时，内燃机燃烧燃油产生的高温废气通过排气管路进入涡轮室；高温废气在涡轮室内冲刷废气涡轮，带动废气涡轮旋转；废气涡轮通过连杆带动永磁式圆筒直线发电机的动子运动，永磁式圆筒直线发电机生成交流电；

连杆将废气涡轮的旋转运动转换为转永磁式圆筒直线发电机动子的往复直线运动，切割磁感线，产生交流电；

整流器接收永磁式圆筒直线发电机传来的交流电，将交流电转换成直流电，并将直流电输出至稳压器；稳压器将直流电调整至稳定电压后输出至蓄电池，蓄电池进行充电；

电子控制单元实时对蓄电池的电量进行监测；当蓄电池电量充满时，燃油动力输出线路停止工作，由蓄电池输出电流，电流经变压器转换成合适电压后输出至电动机；电动机通过变速箱驱动驱动桥运动，实现驱动车轮运动。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，初始状态，旁通阀处于闭合状态；内燃机转速传感器实时对内燃机的转速进行监测，并将内燃机的转速发送至电子控制单元；当监测到内燃机的转速超过阈值时，电子控制单元控制旁通阀打开，将部分高温废气通过旁通阀派出至外部。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，废气涡轮转速传感器实时对废气涡轮的转速进行监测，并将监测结果发送至电子控制单元；当监测到废气涡轮转速异常时，停止燃油动力输出线路工作。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，将燃油动力输出线路产生的高温废气通过废气涡轮和永磁式圆筒直线发电机转换为电能；并通过蓄电池充电线路将电能存储至蓄电池中，最后通过蓄电池动力输出线路转化为车轮的动能，完成对内燃机废气能量的再次利用。

在上述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，所述废气涡轮与永磁式圆筒直线发电机水平布置，即废气涡轮的中轴线与永磁式圆筒直线发电机之间的空间夹角为180度；连杆的一端采用销轴与废气涡轮连接，连杆的另一端采用球形柔性接头与永磁式圆筒直线发电机动子连接。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)本实用新型的利用内燃机废气的涡轮发电置，通过连杆将废气涡轮的旋转运动转换为直线电机动子的直线运动，以电机动子速度为反馈，实时调节旁通阀的开度，从而调整冲击废气涡轮的能量，改变废气涡轮的旋转速度；

(2)本实用新型将混合动力汽车中内燃机废气能量再次利用，用于蓄电池充电，可以有效减少充电费用，大大提高车辆行驶里程；

(3)本实用新型作为关键部件的传动机构，主要包含：废气涡轮和连杆，是成熟技术。可靠性高、能量损失少，结构简单、装置结构紧凑，便于实现标准化和产品化。

附图说明

图1为本实用新型涡轮发电装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。

本发明将混合动力汽车内燃机运转过程中产生的废气能量再次利用，用于给蓄电池充电，可以有效地提高内燃机总能效率、降低燃油消耗量，同时降低环境污染，解决高昂充电费用等问题。

本实用新型设计了一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，设计了废气涡轮发电系统、蓄能充电系统、动力输出系统、采集控制系统。当油电混合动力系统中内燃机2处于工作状态时，高温废气排出内燃机2，经排气管路进入涡轮室22，冲击废气涡轮21，废气涡轮21高速旋转。连杆机构将23废气涡轮 21的旋旋转运动转换为转永磁式圆筒直线发电机24动子的往复直线运动，切割磁感线，产生电能。用于给油电混合动力系统中蓄电池10充电，再次用于动力输出。本实用新型将内燃机2的废气能量再次回收利用，用于给蓄电池10 充电，可以有效降低环境污染，解决高昂充电费用问题。

如图1所示，涡轮发电装置，主要包括油箱1、内燃机2、内燃机转速传感器3、离合器4、车轮5、驱动桥6、变速箱7、电动机8、变压器9、蓄电池10、稳压器15、整流器17、电子控制单元18、废气涡轮转速传感器20、废气涡轮21、涡轮室22、连杆23、永磁式圆筒直线发电机24和旁通阀26。上述部件组成了废气涡轮发电系统、蓄能充电系统、动力输出系统、采集控制系统。

其中，油箱1、内燃机2、离合器4、驱动桥6依次连通组成燃油动力输出线路。内燃机2通过排气管路与涡轮室22连通；旁通阀26设置在排气管路上；废气涡轮21设置在涡轮室22内；永磁式圆筒直线发电机24设置在涡轮室22 的一侧；连杆23的一端与废气涡轮21侧壁柔性连接；连杆23的另一端与永磁式圆筒直线发电机24的动子柔性连接；永磁式圆筒直线发电机24的发电输出端依次与整流器17、稳压器15和蓄电池10连接组成蓄电池充电线路；蓄电池10的输出端依次与变压器9、电动机8、变速箱7、驱动桥6连接组成蓄电池动力输出线路；车轮5对称设置在驱动桥6的两侧，通过控制驱动桥6实现对车轮5的驱动；废气涡轮转速传感器20设置在废气涡轮21的侧壁上；废气涡轮转速传感器20的输出端与电子控制单元18的输入端连接；内燃机转速传感器3设置在内燃机2的侧壁处，内燃机转速传感器3的输出端与电子控制单元18的输入端连接；电子控制单元18的输出端分别与旁通阀26和蓄电池10连接。

为了达到废气转电再转动能的最优效率，本发明对下述部件进行了细化设计，具体为：稳压器15型号为JK12050，成长方体结构，长28cm，宽24cm，高15cm，体积小巧，便于安装，输出电压DC 0-120V,最大输出功率600W，工作环境温度-20℃～+50℃。变速箱7选用无级变速技术，传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可实现传动比的连续改变，从而得到传动系数与发动机工况的最佳匹配。废气涡轮21选用88635，一种钛合金高速离心式叶轮，具有耐高温、抗氧化性，可靠性强等优点。涡轮室22铸造材料选用奥氏体耐热球墨铸铁，不仅具有优异的高温组织稳定性，并且具有较好的铸造工艺性能。永磁式圆筒直线电机24选用T38系列，高度67mm，定子外廓长度37mm，动子峰值速度最高30m/s，峰值推力1500N，最大持续推力 300N。

在动力转换装置的设计中，需要注意的是，将废气涡轮21与永磁式圆筒直线发电机24采取水平布置方式，即废气涡轮21中轴线与永磁式圆筒直线发电机24之间的空间夹角为180度，二者通过连杆23连接，连杆23一端采用销轴与废气涡轮21连接，连杆23另一端采用球形柔性接头与永磁式圆筒直线发电机24动子连接。这样设计的好处是，最大效率的将废气涡轮21动力转换为永磁式圆筒直线发电机24产生的电能。

燃油动力输出线路的工作过程为：油箱1向内燃机2内提供燃油；内燃机 2燃烧产生动力，通过离合器4驱动驱动桥6运动，实现驱动车轮5运动。

废气涡轮发电系统主要功能是回收利用内燃机2废气能量，具体过程为：当燃油动力输出线路工作时，内燃机2燃烧燃油产生的高温废气通过排气管路进入涡轮室22；高温废气在涡轮室22内冲刷废气涡轮21，带动废气涡轮21 旋转；废气涡轮21通过连杆23带动永磁式圆筒直线发电机24的动子运动，永磁式圆筒直线发电机24生成交流电。通过连杆23将废气涡轮21的旋转运动转换为转永磁式圆筒直线发电机24动子的往复直线运动，切割磁感线，产生交流电。

在废气转废气涡轮21动能的过程中，需要实时通过旁通阀26对废气涡轮 21进行调节，具体工作过程为：初始状态，旁通阀26处于闭合状态；内燃机转速传感器3实时对内燃机2的转速进行监测，并将内燃机2的转速发送至电子控制单元18；当监测到内燃机2的转速超过阈值时，电子控制单元18控制旁通阀26打开，将部分高温废气通过旁通阀26派出至外部。通过连杆23将废气涡轮21的旋转运动转换为永磁式圆筒直线发电机24动子的直线运动，以内燃机2的转速为反馈，实时调节旁通阀26的开度，从而调整冲击废气涡轮 22的能量，保证永磁式圆筒直线发电机稳定运行。

同时，作为整个发电装置的安全设计，保障设计，本实用新型通过废气涡轮转速传感器20实时对废气涡轮21的转速进行监测，并将监测结果发送至电子控制单元18；当监测到废气涡轮21转速异常时，停止燃油动力输出线路工作。

蓄电池充电线路主要功能是给蓄电池10充电，工作具体过程为：整流器 17接收永磁式圆筒直线发电机24传来的交流电，将交流电转换成直流电，并将直流电输出至稳压器15；稳压器15将直流电调整至稳定电压后输出至蓄电池10，蓄电池10进行充电。

当蓄电池10充满电后，将由燃油动力输出线路转换成蓄电池10的蓄电动力输出，直接降低燃油动力输出线的燃油效果，节约燃料。由燃油动力输出线路转换至蓄电池动力输出线路工作的过程为：

另外，蓄电池10启动的工作条件为：电子控制单元18实时对蓄电池10 的电量进行监测；当蓄电池10电量充满时，燃油动力输出线路停止工作，由蓄电池10输出电流，电流经变压器9转换成合适电压后输出至电动机8；电动机8通过变速箱驱动驱动桥6运动，实现驱动车轮5运动。

本实用新型设计的可利用内燃机废气的涡轮发电装置，工作原理为：

将燃油动力输出线路产生的高温废气通过废气涡轮21和永磁式圆筒直线发电机24转换为电能；并通过蓄电池充电线路将电能存储至蓄电池10中，最后通过蓄电池动力输出线路转化为车轮5的动能，完成对内燃机2废气能量的再次利用。此过程中，切割永磁式圆筒直线发电机静子的磁感线圈，产生电能，给混合动力汽车中蓄电池充电，储存的电能可以再次用于动力输出。本实用新型不仅可以高效利用内燃机废气，大大提高能源利用率；也可以有效降低环境污染，解决高昂充电费用问题。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：包括油箱(1)、内燃机(2)、内燃机转速传感器(3)、离合器(4)、车轮(5)、驱动桥(6)、变速箱(7)、电动机(8)、变压器(9)、蓄电池(10)、稳压器(15)、整流器(17)、电子控制单元(18)、废气涡轮转速传感器(20)、废气涡轮(21)、涡轮室(22)、连杆(23)、永磁式圆筒直线发电机(24)和旁通阀(26)；其中，油箱(1)、内燃机(2)、离合器(4)、驱动桥(6)依次连通组成燃油动力输出线路；内燃机(2)通过排气管路与涡轮室(22)连通；旁通阀(26)设置在排气管路上；废气涡轮(21)设置在涡轮室(22)内；永磁式圆筒直线发电机(24)设置在涡轮室(22)的一侧；连杆(23)的一端与废气涡轮(21)侧壁连接；连杆(23)的另一端与永磁式圆筒直线发电机(24)连接；永磁式圆筒直线发电机(24)的发电输出端依次与整流器(17)、稳压器(15)和蓄电池(10)连接组成蓄电池充电线路；蓄电池(10)的输出端依次与变压器(9)、电动机(8)、变速箱(7)、驱动桥(6)连接组成蓄电池动力输出线路；车轮(5)对称设置在驱动桥(6)的两侧，通过控制驱动桥(6)实现对车轮(5)的驱动；废气涡轮转速传感器(20)设置在废气涡轮(21)的侧壁上；废气涡轮转速传感器(20)的输出端与电子控制单元(18)的输入端连接；内燃机转速传感器(3)设置在内燃机(2)的侧壁处，内燃机转速传感器(3)的输出端与电子控制单元(18)的输入端连接；电子控制单元(18)的输出端分别与旁通阀(26)和蓄电池(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：所述稳压器(15)采用JK12050型号；稳压器(15)为长方体结构，尺寸为：长28cm，宽24cm，高15cm；输出电压为0-120V；最大输出功率为600W；工作环境温度-20℃～+50℃。

3.根据权利要求2所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：所述废气涡轮(21)采用88635型号；为钛合金高速离心式叶轮；所述涡轮室(22)采用奥氏体耐热球墨铸铁材料铸造。

4.根据权利要求3所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：所述永磁式圆筒直线发电机(24)采用T38型号，高度为67mm；永磁式圆筒直线发电机(24)中的定子外廓长度为37mm；永磁式圆筒直线发电机(24)中的动子峰值速度为30m/s，峰值推力为1500N，最大持续推力为300N。

5.根据权利要求4所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：所述变速箱(7)采用无级变速方式传动，变速箱(7)的传动带和工作直径可调的主、从动轮相配合来传递动力，实现了传动比的连续改变。

6.根据权利要求5所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：所述涡轮发电装置的工作原理为：

油箱(1)向内燃机(2)内提供燃油；内燃机(2)燃烧产生动力，通过离合器(4)驱动驱动桥(6)运动，实现驱动车轮(5)运动；

当燃油动力输出线路工作时，内燃机(2)燃烧燃油产生的高温废气通过排气管路进入涡轮室(22)；高温废气在涡轮室(22)内冲刷废气涡轮(21)，带动废气涡轮(21)旋转；废气涡轮(21)通过连杆(23)带动永磁式圆筒直线发电机(24)的动子运动，永磁式圆筒直线发电机(24)生成交流电；

连杆(23)将废气涡轮(21)的旋转运动转换为转永磁式圆筒直线发电机(24)动子的往复直线运动，切割磁感线，产生交流电；

整流器(17)接收永磁式圆筒直线发电机(24)传来的交流电，将交流电转换成直流电，并将直流电输出至稳压器(15)；稳压器(15)将直流电调整至稳定电压后输出至蓄电池(10)，蓄电池(10)进行充电；

电子控制单元(18)实时对蓄电池(10)的电量进行监测；当蓄电池(10)电量充满时，燃油动力输出线路停止工作，由蓄电池(10)输出电流，电流经变压器(9)转换成合适电压后输出至电动机(8)；电动机(8)通过变速箱驱动驱动桥(6)运动，实现驱动车轮(5)运动。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：初始状态，旁通阀(26)处于闭合状态；内燃机转速传感器(3)实时对内燃机(2)的转速进行监测，并将内燃机(2)的转速发送至电子控制单元(18)；当监测到内燃机(2)的转速超过阈值时，电子控制单元(18)控制旁通阀(26)打开，将部分高温废气通过旁通阀(26)派出至外部。

8.根据权利要求7所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：废气涡轮转速传感器(20)实时对废气涡轮(21)的转速进行监测，并将监测结果发送至电子控制单元(18)；当监测到废气涡轮(21)转速异常时，停止燃油动力输出线路工作。

9.根据权利要求8所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：将燃油动力输出线路产生的高温废气通过废气涡轮(21)和永磁式圆筒直线发电机(24)转换为电能；并通过蓄电池充电线路将电能存储至蓄电池(10)中，最后通过蓄电池动力输出线路转化为车轮(5)的动能，完成对内燃机(2)废气能量的再次利用。

10.根据权利要求1所述的一种可利用内燃机废气的涡轮发电装置，其特征在于：所述废气涡轮(21)与永磁式圆筒直线发电机(24)水平布置，即废气涡轮(21)的中轴线与永磁式圆筒直线发电机(24)之间的空间夹角为180度；连杆(23)的一端采用销轴与废气涡轮(21)连接，连杆(23)的另一端采用球形柔性接头与永磁式圆筒直线发电机(24)动子连接。

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